Direct solar-to-hydrogen conversion via inverted metamorphic multi-junction semiconductor architectures

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作者
James L. Young,Myles A. Steiner,Henning Döscher,Ryan M. France,John A. Turner,Todd G. Deutsch
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:2 (4) 被引量:414
标识
DOI:10.1038/nenergy.2017.28
摘要

Solar water splitting via multi-junction semiconductor photoelectrochemical cells provides direct conversion of solar energy to stored chemical energy as hydrogen bonds. Economical hydrogen production demands high conversion efficiency to reduce balance-of-systems costs. For sufficient photovoltage, water-splitting efficiency is proportional to the device photocurrent, which can be tuned by judicious selection and integration of optimal semiconductor bandgaps. Here, we demonstrate highly efficient, immersed water-splitting electrodes enabled by inverted metamorphic epitaxy and a transparent graded buffer that allows the bandgap of each junction to be independently varied. Voltage losses at the electrolyte interface are reduced by 0.55 V over traditional, uniformly p-doped photocathodes by using a buried p–n junction. Advanced on-sun benchmarking, spectrally corrected and validated with incident photon-to-current efficiency, yields over 16% solar-to-hydrogen efficiency with GaInP/GaInAs tandem absorbers, representing a 60% improvement over the classical, high-efficiency tandem III–V device. Solar water-splitting efficiency can be enhanced by careful bandgap selection in multi-junction semiconductor structures. Young et al. demonstrate a route that allows independent bandgap tuning of each junction in an immersed water-splitting device, enabling a solar-to-hydrogen efficiency of over 16%.
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